DE102014005629B4

DE102014005629B4 - Formwerkzeug zum Herstellen von faserverstärkten Bauteilen

Info

Publication number: DE102014005629B4
Application number: DE102014005629.5A
Authority: DE
Inventors: David Roquette; Felix Diebold
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2014-04-16
Filing date: 2014-04-16
Publication date: 2015-12-31
Anticipated expiration: 2034-04-17
Also published as: DE102014005629A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Formwerkzeug (10) zum Herstellen von faserverstärkten Bauteilen (12) mit zwei Formteilen (14, 16), die gegeneinander zu öffnen und zu schließen sind und im geschlossenen Zustand eine Kavität (18) bilden, in der ein aus Fasern bestehendes Halbzeug eingelegt ist, und mit zumindest einem Anschluss (19) zum Injizieren einer Harzmasse in die Kavität (18), wobei nach Aushärten der Harzmasse die Formteile (14, 16) des Formwerkzeugs (10) geöffnet werden und das fertige Bauteil (12) entnommen werden kann. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Formteile (14, 16) des Formwerkzeugs zumindest ein die Kavität bereichsweise begrenzendes Element (22, 24, 26, 28) aufweisen, mittels dem Volumen der Kavität (18) vergrößerbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Formwerkzeug zum Herstellen von faserverstärkten Bauteilen gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Art.
Derartige Formwerkzeuge bestehen aus zwei Formteilen, die relativ zueinander zu öffnen und zu schließen sind und im geschlossenen Zustand eine Kavität bilden. Die geschlossene Kavität entspricht hierbei der Negativform des herzustellenden Bauteiles. In die Kavität wird ein aus einem Fasermaterial bestehendes Halbzeug, eine sog. Preform eingelegt. Das Formwerkzeug weist zumindest einen in die Kavität führenden Anschluss auf zum Injizieren einer Harzmasse, der sog. Matrix, die das Halbzeug tränkt und vollständig umgibt. Nach Aushärten der Harzmasse bei geschlossenem Formwerkzeug werden die Formteile geöffnet und das fertige Bauteil entnommen.
Die nach diesem Verfahren, dem sog. RTM-Verfahren hergestellten faserverstärkten Bauteile werden in großem Umfang im Kraftfahrzeugbau eingesetzt. RTM steht hierbei für „Resin Transfer Moulding”.
Es gibt verschiedenen Varianten des RTM-Prozesses, wobei bei allen Prozessen die Kavität wahlweise unter Unterdruck gesetzt werden kann, um das Injizieren der Kunststoffmasse zu erleichtern. So ist es bekannt, die Harzmasse in das geschlossene Werkzeug zu injizieren, wobei dieses Injizieren bei einer niedrigen Presskraft der beiden Formteile erfolgt. Bei der Injektion entsteht ein Innendruck im Werkzeug, wobei die Kavität leicht geöffnet oder aufgebläht wird, um den Fließwiderstand der Harzmasse zu erleichtern. Nach oder während der Injektion wird die Presskraft erhöht.
Nach der Injektionsphase muss die Kavität komplett geschlossen werden, um die Dimensionen des Bauteiles endgültig festzulegen. Um ein vollständiges Imprägnieren des aus Fasern bestehenden Halbzeugs zu gewährleisten, erfolgt in der Injektionsphase eine gewollte ”Überfüllung” der Kavität, sodass sich nach Schließen der Kavität ein erhöhter ”Enddruck” in der Kavität einstellt. Der erhöhte ”Enddruck” in der Kavität erweist sich als nachteilig, da dies u. U. zum Kollabieren von leichten Schaumkernen führen kann.
Aus der DE 10 2011 051 391 A1 ist es bekannt, im Bereich der Kavität mehrere Stichausgänge anzuordnen, in denen jeweils Fließdetektoren und eine Schließeinrichtung zum Beenden des Harzflusses in diesen Stichausgängen vorgesehen sind. Dies soll gewährleisten, dass die Kavität vollständig mit Harz ausgefüllt ist.
Aus der DE 10 2009 010 692 A1 ist ein Formwerkzeug bekannt, das mit einer Prozess-Steuerung ausgerüstet ist, die wiederum eine Sensorik zum Überwachen des Bauteiles während des Herstellungsprozesses, während der Injektionsphase und der Schließphase aufweist. Die Sensorik ist hierbei mit der Prozess-Steuerung gekoppelt und dient z. B. zur optischen Überwachung des Herstellungsprozesses mithilfe einer Kamera, wobei ebenfalls Thermofühler oder Abstands-Sensoren für den Abstand zwischen den Formteilen vorgesehen werden können.
Aus der DE 102 53 100 A1 ist ein Formwerkzeug bekannt, mit dem die Bauteile mit einem Schaumkern hergestellt werden, der als Träger für das Faserhalbzeug verwendet wird. Um die Kavität während des Injizierens und ggf. während der Überfüllung mit der Kunststoffmasse und bei einem erhöhten Pressdruck zu entlüften, wird diese Entlüftung durch den Schaumkern selbst ermöglicht. An diesen Schaumkern wird z. B. eine Unterdruckquelle angelegt, oder es werden innerhalb des Schaumkerns Entlüftungskanäle gebildet, z. B. Schläuche eingelegt.
Aus der DE 10 2009 039 116 A1 ist zumindest eines der beiden Formteile nicht aus einem kompakten starren Werkstoff gebildet, z. B. aus Aluminium oder Metall, sondern weist einen Hohlraum ober- bzw. unterhalb der Wand der Kavität auf, wobei beim Injizieren und anschließendem Nachpressen in diesen Hohlraum ein Gegendruck erzeugt wird, der auf die gesamte Fläche der Kavitätswand einwirkt, sodass überschüssige Harzmasse aus der während der Injektionsphase etwas aufgeblähten Kavität entfernt wird.
Ein gattungsgemäßes, sämtliche Merkmale des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 aufweisendes Formwerkzeug zum Herstellen von faserverstärkten Bauteilen ist u. a. aus der GB 2 354 476 A bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Formwerkzeug zum Herstellen von faserverstärkten Bauteilen gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Art derart fortzubilden, dass nach Schließen des Formwerkzeugs Beschädigungen von leichten Schaumkern möglichst verhindert werden.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 in Verbindung mit seinen Oberbegriffsmerkmalen gelöst.
In bekannter Art weist das Formwerkzeug zum Herstellen von faserverstärkten Bauteilen zwei stabile Formteile auf, die relativ zueinander zu öffnen und zu schließen sind und im geschlossenen Zustand eine Kavität bilden. In der Kavität ist ein aus Fasern bestehendes Halbzeug eingelegt. Das Formwerkzeug weist zudem zumindest einen Anschluss zum Injizieren einer Harzmasse in die Kavität auf, wobei nach Aushärten der Harzmasse durch Bewegen der Formteile die Kavität des Formwerkzeuges geöffnet wird und die fertigen ausgehärteten Bauteile entnommen werden können.
Zudem weisen die Formteile des Formwerkzeugs zumindest ein die Kavität bereichsweise begrenzendes Element auf, mittels dem das Volumen der Kavität vergrößerbar ist. D. h. mittels des Elements ist beim Injizieren der Harzmasse in die Kavität und/oder beim vollständigen Schließen der Kavität das dem Bauteil entsprechende Endvolumen der geschlossenen Kavität vergrößerbar.
Durch das Vorsehen des zumindest einen Elements ist in vorteilhafter Weise sichergestellt, dass eine Volumenvergrößerung der Kavität ermöglicht ist und damit eine Reduktion des Enddrucks stattfindet, sodass eine Beschädigung von leichten Schaumkernen vermieden wird.
Im Bereich der Kavität können auch mehrere solcher Elemente vorgesehen sein, sodass im Formwerkzeug der Innendruck lokal oder global reduziert werden kann.
Bei dem zumindest einem Element zur Druckreduzierung in der Kavität handelt es sich um ein passives Element, das in einen Hohlraum eines Formteiles eingesetzt ist und das beim Injizieren der Harzmasse in die Kavität und/oder beim vollständigen Schließen der Kavität zusammengepresst wird. Hierdurch wird das Volumen der Kavität vergrößert, das Element kann anschließend bei der Entnahme des fertigen Bauteiles mit entformt werden.
Erfindungsgemäß ist das passive Element ein Schaumkern mit einer Dichte, die niedriger als diejenige eines etwaig in der Kavität eingelegten Schaumkerns ist. Auch ein solcher Schaumkern ist quasi ein Opferelement, das zusammen mit dem Bauteil aus dem Formwerkzeug entnommen wird.
Denkbar ist auch, dass das passive Element zur Druckreduzierung in der Kavität ein geschlossener Hohlkörper mit einer druckdichten und mit einem komprimierbaren Gas gefüllten Hohlkammer ist. Beim Injizieren der Harzmasse in die Kavität und/oder Schließen der Kavität wird dieses Element komprimiert, wobei durch das Gas in der Hohlkammer ein gewisser Gegendruck ausgeübt wird.
Alternativ ist das zumindest eine Element zur Druckreduzierung ein aktives verformbares Element, das in einem Hohlraum eines Formteiles vorgesehen und mit einem Kraftelement zur Steuerung der Verformung verbunden ist.
Hierbei ist der das aktive Element aufnehmende Hohlraum gegenüber der Kavität mit einer Membran verschlossen, wobei das Kraftelement ein auf die Membran wirkender Pneumatik- oder Hydraulikstempel ist. Der Raum zwischen der Membran und dem hydraulischen oder pneumatischen Stempel kann z. B. durch ein Elastomer gefüllt sein.
Hierdurch kann ein gewisser Gegendruck ausgeübt werden, d. h. der Enddruck der Kavität kann gesteuert werden. Hierdurch kann auch die Zykluszeit durch Einsatz schneller Harzsysteme reduziert werden; außerdem ist der Einsatz von leichten Schaummaterialien möglich.
Denkbar ist auch, dass das zumindest eine Element als ein aktiv verstellbares Stellelement ausgebildet ist. Hierzu ist das Stellelement in einem der Formteile beweglich gelagert und steht mit zumindest einem Aktuator in Wirkverbindung, über den das Stellelement in Bezug zum lagernden Formteil bewegbar ist. Durch eine entsprechende ”Rückfahrbewegung” des Stellelements in Bezug zur Kavität ist die gewünschte Volumenvergrößerung der Kavität bewirkbar.
Ein weiterer Vorteil des aktiv verstellbaren Stellelements ist, dass nach Aushärten der Harzmasse durch eine entsprechend entgegen gesetzten Bewegung des Stellelements, d. h. das Stellelement fährt in Richtung in die Kavität hinein, zusätzlich ein Auswerfen des fertigen Bauteils ermöglicht ist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.
In der Beschreibung, in den Ansprüchen und in der Zeichnung werden die in der unten aufgeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet.
In der Zeichnung bedeutet:
1 eine schematische Schnittdarstellung eines Bereiches einer Kavität eines Formwerkzeuges mit einem passiven Element zum Reduzieren des Enddruckes bei geschlossener Kavität;
2 eine Schnittdarstellung wie in 1 zur Darstellung eines weiteren Formwerkzeugs;
3 eine ähnliche Schnittdarstellung zur Darstellung eines weiteren Formwerkzeugs, und
4 eine weitere Darstellung eines Formwerkzeugs in einer Schnittdarstellung.
1 zeigt in einer Schnittdarstellung ein insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnetes Formwerkzeug zum Herstellen von faserverstärkten Bauteilen 12 mit einem RTM-Verfahren.
Das lediglich schematisch dargestellte Formwerkzeug 10 umfasst im Wesentlichen ein unteres Formteil 14 und ein oberes Formteil 16. Die beiden Formteile 14, 16 sind dabei so ausgebildet, dass im geschlossenen Zustand des Formwerkzeugs 10 zwischen den beiden Formteilen 14, 16 eine Kavität 18 ausgebildet ist, die die der Negativform des herzustellenden Bauteiles 12 entspricht.
Das Bauteil 12 ist ein Verbundmaterial aus einem Fasermaterial und einer injizierten Harzmasse, die allgemein als Matrix bezeichnet wird. Das Bauteil 12 füllt hierbei den gesamten Raum der Kavität 18 aus.
Gemäß 1 ist in dem oberen Formteil 16 ein Hohlraum 20 vorgesehen. In diesen Hohlraum 16 ist passgenau ein Element, hier in Form eines Schaumkerns 22, eingesetzt, dessen der Kavität 18 zugewandten Fläche der dortigen Oberfläche des zu fertigenden Bauteiles 12 entspricht.
Zum Herstellen des Bauteiles 12 wird z. B. bei zunächst geringfügig geöffneter Kavität 18 eine Harzmasse eingespritzt, bis die Kavität 18 mit der Harzmasse vollständig ausgefüllt ist. Anschließend wird die Kavität 18, wie gezeigt, vollständig geschlossen.
Um eine vollständige Imprägnierung der Fasern zu gewährleisten, findet beim Injektionsvorgang eine gewollte ”Überfüllung” mit der Harzmasse statt, die zu einem erhöhten Enddruck in der Kavität 18 führt.
Durch den hohen Enddruck in der Kavität 18 wird der Schaumkern 22 komprimiert, sodass das Volumen der Kavität 18 geringfügig vergrößert und der Enddruck in der Kavität 18 reduziert wird. Nach dem Aushärten des Bauteiles 12 wird die Kavität 18 geöffnet und das Bauteil 12 entnommen. Der verwendete Schaumkern 22 kann als quasi passives Opferelement bezeichnet werden.
Wenn in der Kavität 18 bereits ein Kern für das herzustellende Bauteil 12 vorhanden ist, muss die Dichte des Schaumkerns 22 niedriger sein als die Dichte des in der Kavität 18 vorhandenen Schaumkerns.
In 2 ist eine praktisch gleiche Anordnung der beschriebenen Bauteile dargestellt, nämlich das untere Formteil 14, das obere Formteil 16, die Kavität 18, das herzustellende Bauteil 12 und der Hohlraum 20.
In den Hohlraum 20 ist ein diesen ausfüllendes Element eingesetzt, das vorliegend als ein mit der Bezugsziffer 24 bezeichneter, eine Hohlkammer aufweisender Elastomer ausgebildet ist, wobei die Hohlkammer mit einem Gas gefüllt ist.
Beim Injizieren der Harzmasse in die Kavität 18 wird vorliegend der Elastomer 24 komprimiert, sodass wiederum das Volumen der Kavität 18 erhöht und der Innendruck in der Kavität 18 reduziert wird.
In 3 ist ein ähnlicher Querschnitt eines Formwerkzeuges 10 wie in den vorherigen 1 und 2 gezeigt, das wiederum ein unteres Formteil 14, ein oberes Formteil 16, eine Kavität 18, ein herzustellendes Bauteil 12 und einen Hohlraum 20 umfasst.
Im Gegensatz zu den in 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen, ist gemäß 3 im Hohlraum 20 ein aktiv verformbares Element 26 vorgesehen.
Das aktive verformbare Element 25 umfasst eine den Hohlraum 20 gegenüber der Kavität 18 abdichtende Membran 26a, ein den Hohlraum 20 zumindest teilweise ausfüllendes Elastomer 26b sowie ein auf den Elastomer 26b und somit auf die Membran 26a wirkender Stempel 26c, der längs seiner Kolbenstange durch eine hier nicht gezeigte pneumatische oder hydraulische Kraftquelle verschoben werden kann.
Vorliegend findet beim Injizieren der Harzmasse in die Kavität 18 eine Verformung der Membran 26a statt, wodurch das Volumen der Kavität 18 vergrößert und der Innendruck in der Kavität 18 reduziert wird. Der Stempel 26c kann durch eine pneumatische oder hydraulische Kraftquelle oder dgl. in Pfeilrichtung P in Richtung auf die Kavität 18 verschoben werden, sodass das Volumen der Kavität 18 und deren Innendruck variiert und an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden kann. Auch ist ein Ausdrücken überflüssiger Harzmasse aus der Kavität 18 und lokales Nachpressen des noch nicht ausgehärteten Bauteils 12 möglich.
Das in 4 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen der in 1 bis 3 bereits beschriebenen Anordnung und weist daher in Übereinstimmung ein unteres Formteil 14, ein oberes Formteil 16 und eine Kavität 18 auf. Zudem ist noch ein Anschluss 19 zum Injizieren der Harzmasse dargestellt.
Wie 4 zu entnehmen ist, ist das zumindest eine Element in Form eines aktiv verstellbaren Stellelements 28 ausgebildet, das mit seiner Stirnfläche die Kavität 18 begrenzt.
Das vorliegend zylinderförmig ausgebildete Stellelement 28 ist im unteren Formteil 14 axial verschieblich gelagert und steht mit zwei Aktuatoren 30 in Wirkverbindung, über die eine Bewegung des Stellelements 28 in Bezug zum unteren Formteil 14 initiierbar ist. Somit ist während der Injektionsphase und/oder beim Schließen des Formteils durch eine entsprechende ”Rückfahrbewegung” des Stellelements 28, vorliegend eine Bewegung nach unten, die gewünschte Volumenvergrößerung der Kavität 18 ermöglicht.
Bezugszeichenliste

10: Formwerkzeug
12: Bauteil
14: Unteres Formteil
16: Oberes Formteil
18: Kavität
19: Anschluss zum Injizieren einer Harzmasse
20: Hohlraum
22: Element; aus Schaumkern
24: Element; Elastomer mit Hohlkammer
26: Element; aktiv verformbar
26a: Membran
26b: Elastomer
26c: Stempel
28: Stellelement
30: Aktuator

Claims

Formwerkzeug (10) zum Herstellen von faserverstärkten Bauteilen (12) mit zwei Formteilen (14, 16), die gegeneinander zu öffnen und zu schließen sind und im geschlossenen Zustand eine Kavität (18) bilden, in der ein aus Fasern bestehendes Halbzeug eingelegt ist, und mit zumindest einem Anschluss (19) zum Injizieren einer Harzmasse in die Kavität (18), wobei nach Aushärten der Harzmasse die Formteile (14, 16) des Formwerkzeugs (10) geöffnet werden und das fertige Bauteil (12) entnommen werden kann, wobei die Formteile (14, 16) des Formwerkzeugs (10) zumindest ein die Kavität (18) bereichsweise begrenzendes Element (22, 24, 26, 28) aufweisen, mittels dem das Volumen der Kavität (18) vergrößerbar ist, wobei das zumindest eine Element (22, 24) ein passives Element ist, das in einem Hohlraum (20) eines Formteiles (14, 16) angeordnet ist und beim Injizieren der Harzmasse in die Kavität (18) und/oder beim vollständigen Schließen der beiden Formteile (14, 16) komprimierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das passive Element ein Schaumkern (22) ist, wobei der Schaumkern (22) eine Dichte aufweist, die niedriger ist als die Dichte eines etwaig in die Kavität (18) eingesetzten Kerns.